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每日科研进展 l 2023.12.18 l-146

花匠小妙招
2024-10-18 18:22

　　生物技术和解决方案：改善和发展 Bt 棉花的抗虫害管理

　　棉花 (Gossypium spp. L.) 是天然纤维的主要来源，预计 2021/22 年全球产量为 1.17 亿包。各种生物和非生物胁迫对棉花有相当大的负面影响。农业生态系统中化学杀虫喷雾剂使用量的大幅减少，极大地影响了初级和次生昆虫的生物多样性和动态。全球各地采取了各种控制措施来增加生产成本。温度、干旱、盐度以及细菌、病毒、真菌、线虫、昆虫和螨虫等生物胁迫给棉花作物造成巨大损失。在这里，作者总结了一些扰乱 Bt 棉花作物的生物和非生物胁迫，以及当前和未来的生物技术解决方案策略，包括避难所策略、多基因金字塔、不育昆虫的释放、种子混合、RNAi、CRISPR/Cas9、生物信号传导，以及生物制剂的使用。昆虫抗性监测、种植者合规性监测以及补救措施的实施可以实现全球棉花的可持续利用。

　　植物在其一生中面临各种生物和非生物胁迫。此外，由于当前全球气候变化的情况，这些胁迫的影响急剧增加，对大多数作物的产量产生显著影响。寒冷、盐碱、高温、稀缺、重金属毒害、氧化损伤等非生物胁迫是农作物生长减产的主要威胁，可导致农作物减产50%以上。生物胁迫的严重性不仅会造成产量损失和品质下降，而且由于需要采取额外措施来控制，从而增加了生产成本。

　　在所有可用的棉花品种中，只有四种用于田间生产。尽管如此，属于锦葵科植物的高原棉（Gossypium hirsutum L.）和海岛棉（G. barbadense）是世界各地种植的主要栽培品种。这两个品种分别占全球纤维生产棉花种植面积的 90% 和 5%。据估计，每年有超过 80 个国家种植棉花，面积约为 10,000 公顷，其中 13% 在发达国家，其余 87% 在发展中国家，棉花通常被认为是白金（图 1）。与其他作物相比，棉花植物通常对不同的非生物胁迫具有更高的抵抗力。然而，在其生命周期中，植物可能会遭受各种非生物胁迫和生物胁迫，包括但不限于害虫。

　　图 1. 世界棉花产量数据

　　虫害长期以来一直是棉花生产中的一个全球性问题。尽管只有一小部分害虫具有经济重要性，但棉花植株在其整个生长季节可能会在全球范围内遇到多达 1326 种害虫(www.cicr.gov.in)。人们进行了广泛的研究来调查棉田害虫的流行情况，主要关注其对棉花产量的经济影响。造成棉花生产损失的重要害虫包括棉叶蝉（Amrasca biguttula）、棉蚜（Aphis gossypii）、蓟马（Frankliniella schultzei）、斑点铃虫（Earias vittela）、红棉铃虫（Pectinophora gossypiella）、棉铃虫 (Helicoverpa armigera)、棉粉蚧 (Phenacoccus solenopsis)、草地贪夜蛾 (Spodoptera frugiperda) 和粉虱 (Trialeurodesvaporariorum) 。这些害虫以及根腐病、叶枯病、叶斑病、目标斑病和黄萎病等病害，造成棉花生产15%至30%的经济损失，有的高达50%，归因于直接损害或植物病害的传播。例如，在巴西，每年因虫害造成的农业生产损失平均可达 7.7%，相当于约 177 亿美元。

　　本综述总结了Bt棉花二十多年来的开发和应用；分析和讨论Bt棉花对农业生态系统的影响以及Bt棉花生产的主要问题；重点研究目前Bt棉花生产中存在的问题，包括害虫对Bt棉花的耐受性进化机制，以提高Bt药效，更好地制定目标害虫的防治策略，确保未来棉花生产的稳定。首先，我们简要回顾一下Bt棉花在生产中的认知和实施情况；然后，讨论了Bt棉田生物群落的动态，包括目标害虫、非目标害虫和生物群落；第三，我们研究了害虫对 Bt 毒素（PRBT）的抗性的进化；最后，我们研究了提高 Bt 抗性和针对目标害虫的控制效果并延缓害虫对 Bt 毒素产生耐受性的方法。我们相信本次综述将有助于和促进未来 Bt 棉花的研究和发展以及病虫害防治管理。

　　全球对 Bt 棉花的认知和采用，以提高产量和防治病虫害

　　由于棉花生产中传统害虫管理策略的潜在局限性，表达昆虫特异性 Bt 毒素蛋白（来自天然土生细菌苏云金芽孢杆菌 (Bt)）的基因工程棉花被应用于棉花生产。Bt毒素的杀虫特性早在古埃及就已被人类社会所认识，而Bt菌株的分离及其在害虫防治中的应用则始于20世纪初。有关这些细菌的鉴定、研究活动以及不同 Bt 毒素的特性和应用的详细信息，请参阅 Sanahuja 等人的论文。迄今为止，已鉴定出近 100 个不同的苏云金芽孢杆菌亚种，它们产生名为 Cry、Cyt 或 Vip 的杀虫毒素。棉铃虫对Cry1Ac和Cry2Ab毒素敏感，玉米螟对Cry1Ab毒素高度敏感，玉米根虫对Cry3Bb毒素高度敏感。ry基因最初被整合到番茄和烟草基因组中，用于控制鳞翅目害虫，随后又被整合到棉花、玉米、大豆和水稻等其他主要作物中。当人们认识到虫害问题在棉花生产中的重要性后，主要产棉国在不同时期都采用了Bt棉花。Bt 棉花的首次商业投放于 1996 年在美国进行，由孟山都公司与 Delta 和 Pineland Company（D 和 PL）合作进行。随后几年，Bt棉花种植面积迅速增加，由于其提高棉花产量的表现，1997年占美国棉花总产面积的15%，2001年占37%，2019年占85%。减少农药的使用。 Bt 棉花在美国的采用率非常高，随之而来的是农药成本的显著降低，Bt 棉花作物对棉红铃虫、棉铃虫和烟青虫的抵抗力增强，并最终带来了显著的盈利能力。

　　中国对生物技术进行了大量投资，20世纪80年代末中国科技部发起的“863计划”加速了这一投资。由于我国北部棉区（黄淮海地区）病虫害问题的巨大压力，中国农业科学院的科学家们致力于植物转化技术的研究，并开始将其视为一种很有前途的工具，可以将 Bt 基因（cry1Ab 和cry1Ac）引入棉花基因组，以应对这种严重的虫害问题。20世纪90年代中期，孟山都与D和PL开始与中国本土公司合作，将一些Bt棉花品种以商业规模引入中国市场。事实上，1996年中国生物安全委员会批准Bt棉花在市场上商业销售。此后，中国的Bt棉花种植面积也快速稳定增长，据估计，Bt棉花种植面积从150万公顷迅速增加到2001年的350万公顷。在五年的调查中， Bt 棉花在中国的采用率非常高，因为它提高了每公顷产量，降低了农药成本和农药中毒发生率，并且病虫害防治效果更好。

　　巴基斯坦是农业国，在全球主要棉花生产国中排名第四。Bt 棉花的认知和采用经历了一个在安全性、质量、产量和防治害虫有效性方面存在问题的时期。最初，巴基斯坦政府批准在国内不同棉花种植区试行使用Bt棉花。2009 年在主要棉花种植省份旁遮普省进行的一项调查显示，在农民层面，Bt 棉花比非 Bt 棉花更有效、更有前景，尽管仍然存在一些害虫的袭击，以及高发病率的棉花卷叶病毒。种植 Bt 棉花的好处包括著减少用于害虫防治的农药施用总量，以及劳动力投入、更高的产量和成本效率。但当时农民仍然习惯使用化学药品来确保有效控制虫害的侵袭。这表明一些农民不愿意采用 Bt 棉花。但一段时间后，Bt棉花种植面积稳步增加，一些传统的小麦和甘蔗种植区开始转向种植Bt棉花。2003年至2013年的长期观察研究显示，在两个主要产棉区中，旁遮普邦的Bt棉花采用率远高于信德省。

　　在印度，棉花也是主要作物。使用 Bt 棉花来控制棉铃虫危害的主要努力始于 20 世纪 90 年代末，从孟山都进口 Bt 棉花。Bt 棉花的初步田间试验表明，与非 Bt 棉花相比，在化学杀虫剂减少 50% 的情况下，Bt 棉花的产量提高了 40% 。2002年2月，印度农业研究委员会（ICAR）、环境部和基因工程与审批委员会共同批准了三种Bt杂交棉MECH 162-Bt、MECH 184-Bt和MECH 12-Bt，孟山都公司用于商业分销。获得批准后不久，这些杂交品种就被种植在印度六个不同的邦：安得拉邦、古吉拉特邦、卡纳塔克邦、中央邦、马哈拉施特拉邦和泰米尔纳德邦。尽管当年由于强降雨和干燥天气，棉花整体生产状况不佳，导致病虫害压力非常低，而且化学喷洒量显著下降，这表明与非转基因棉花相比，Bt 棉花的效果显著。在接下来的几个季节，Bt 棉花种植面积迅速从 2004/5 年的 56 万公顷增加到 2006/7 年的 370 万公顷。据估计，2001年至2011年期间，Bt杂交棉产量从156万包增加到356万包。随后，印度棉花咨询委员会 (CAB) 报告称，由于 Bt 棉花产量停滞和病虫害增加，2013/14 年至 2016/17 年 Bt 棉花种植面积大幅下降，从 95% 降至 90% 以下。全国1082万公顷棉花种植面积中，有877万公顷受到袭击影响。这种下降趋势在 2017 年停止，Bt 棉花比例在 2017/18 年恢复了 8%，这表明印度 Bt 棉花的采用率很高。

　　棉花在美国不同的州种植。含有Cry1Ac的抗虫Bt棉由孟山都公司引入市场。Bt 棉花的采用和种植消除了有害昆虫——棉铃象鼻虫，并显著减少了农药的使用。凭借这一成功，含棉花的Cry1Ac和Cp4-EPSPS基因均成功推向市场。自2000年以来，巴西已成为农业生产领先国家之一。巴西出产甘蔗、大豆、咖啡、玉米和棉花等不同经济作物。20 世纪 70 年代至 80 年代，巴西塞拉多省的小农场种植棉花，但受到棉铃象出现的影响。20世纪90年代后期，转基因棉花被大规模采用。此后，巴西的 Bt 棉花产量有所增加。自 20 世纪 90 年代以来，土耳其的棉花种植有所增加。棉花在土耳其的不同地区种植，如安塔利亚和安纳托利亚，尤其是爱琴海地区。土耳其是全球生产天然彩色和有机棉花的先驱，因为它没有在棉花生产中应用转基因技术。1996年，Bt棉花首次在墨西哥商业化。2008年采用Bt棉花后，96%的棉田都种植了Bt棉花。在阿根廷采用转基因大豆后，阿根廷也采用并种植了Bt棉花。首先，Bt 棉花被小农场和家庭采用。种植大大降低了农药成本，提高了产量。阿根廷现在是 Bt 棉花生产的全球领先者之一。

　　Bt 棉田对生物群落相互作用的影响

　　对目标害虫的影响

　　棉花是棉铃虫的主要寄主作物。每年6月至7月，棉铃虫迁徙至棉田，并在花器官周围产卵。孵化的幼虫以幼嫩的组织为食，从而对植物造成损害。Bt 棉花中的毒素蛋白会杀死取食的幼虫，从而使棉铃虫无法完成其生命周期。因此，我国1992年至2006年的监测显示，随着种植年限和转Bt棉花比例的增加，棉铃虫卵和幼虫的密度逐渐下降。Bt棉的大规模种植，不仅有效控制了棉铃虫对棉花的危害，也使Bt棉田成为农业生态系统中棉铃虫的死亡陷阱（图2）。是第二代棉铃虫的主要宿主，也是第三代棉铃虫的核心来源。该诱捕器可以打破棉铃虫的宿主链，使其对玉米、花生、大豆等其他寄主作物的威胁逐渐减少。2010年以后，随着黄河流域Bt棉花种植规模的缩小，玉米、花生、向日葵等作物上棉铃虫的严重程度明显增加，证实了棉铃虫的“死亡陷阱”效应。P. gossypiella是棉花植物的另一种主要害虫，主要危害花、芽、发育中的棉铃和种子，导致产量和皮棉质量显著下降。它们还攻击其他植物，包括木棉和锦葵，而在农业生态系统中，相比之下，棉花植物是它们的唯一宿主。这一特性使得该害虫的种群数量随着Bt棉花种植面积的扩大而迅速减少。因此，当Bt棉花处于病虫害综合管理（IPM）框架下时，棉田目标害虫和其他一些散发性害虫的区域性灾难性风险通过喷洒农药而得到有效控制，成本高昂。

　　图 2. Bt 棉花和 Bt 毒素导致害虫与群落相互作用的变化

　　Bt 棉花对非目标害虫的影响

　　Bt 棉花种植对非目标害虫或天敌的个体发育和种群动态没有显著影响，但却是农药喷洒减少的有力指标。Bt 棉田农药喷洒的减少导致昆虫物种的生物多样性增强，包括非目标害虫及其天敌的种群动态以及它们之间的相互作用。研究发现，1990-2010年间，棉田三大天敌为瓢虫、草蛉(Chrysopa perla)和蜘蛛，其数量随着Bt棉株规模的扩大而显著增加。其捕食行为增加并显著减少了 Bt 棉田中其猎物害虫蚜虫的自然种群（图 2）。当这些捕食者迁移到玉米、花生和大豆田时，它们也在这些田地中蚜虫种群的自然控制中发挥了重要作用。减少田间喷洒的第二个重大影响是，它使非目标次要害虫成为一个主要问题。典型的例子是蝽，它通常被认为是棉田的次要害虫。蝽有聚集在寄主植物花和芽附近的区域的习惯。在棉花植株的开花期，它们恰巧与棉铃虫一起迁移到棉田，这使得它们被控制棉铃虫的化学喷雾剂致命地。因此，在常规棉田中，当主要害虫存在时，通常不考虑防治棉蝽。棉田天敌的捕食行为对蝽种群发展影响不大。因此，减少Bt棉田农用化学品的喷洒有利于蝽种群的发展，并最终促使它们成为主要害虫。蝽的爆发可能会抑制节肢动物害虫（图2）。

　　Bt 棉渣对土壤生物群落的影响

　　Bt 毒素在转基因 Bt 棉花植株中的组成型表达和 Bt 毒素的水溶性特性可能会引起人们对 Bt 毒素在土壤中持久性的担忧。cry 基因残留的存在可能与 Bt 作物的大规模释放有关。通常，Bt棉田收获后会留下大量的叶子、茎、根和落棉，这些残留物可能需要几个月的时间才能分解。这些担忧可能包括两个方面，一是这些Bt毒素蛋白和cry基因残留物在田间的持续存在及其动态，二是这些残留物对农业生态系统的影响。因此，研究是在受控实验室条件和露天环境中进行的。在 Bt 种植三至六年后，对 Bt 棉田内外连续采集的土壤样本进行测试表明，收获后三个月，土壤样本中 Bt 毒素含量极低，导致无法检测到生物活性。然而，当上一季耕作（使用粉碎机和圆盘犁进行）三个月后对土壤进行取样时，发现大多数植物残留物已经腐烂。这些植物残留物中 Bt 毒素的动态及其生物活性尚不清楚。Bt 水稻和 Bt 玉米的结果表明，土壤中性磷酸酶活性没有显著差异，Bt 玉米残留物的分解和土壤中生物群落的组成没有显著变化。在一项对照测定中，大约 50% 的引入 Bt 毒素在土壤中持续存在至少 56 天；土壤脲酶、酸性磷酸单酯酶和蔗糖酶的活性受到激发，而土壤芳基硫酸酯酶的活性受到抑制。长期研究表明，Bt棉花的连续倒伏可能导致Bt毒素在土壤中持续存在，并对土壤微生物和生化特性产生负面影响。这些有争议的结果表明，评估 Bt 作物在各种情况下的持久影响仍然至关重要。

　　Bt 棉花生产的非生物和生物限制

　　温度

　　在棉铃发育阶段，特别是在长期高温胁迫下，观察到 Bt 棉花对害虫的抗性不稳定。较低的相对湿度和高温条件极大地降低了 Bt 棉叶中 Bt 毒素的含量。还观察到叶片 Bt 毒素含量与叶片 C/N 比呈负相关，高温和氮水平会增强叶片 C/N 比。高温胁迫对 Bt 棉花植株中的 Bt 毒素浓度也有类似的影响。因此，Bt 毒素含量的减少是高温条件下观察到的害虫防治功效波动的原因。

　　干旱

　　据估计，全球每年约 30-50% 的农作物损失是由于环境压力造成的，而干旱被认为是农作物生产力损失的一个重要因素。在干旱胁迫加剧下，Bt棉花中Cry1Ac和Cry2Ab等Bt毒素含量下降，而病情恢复与Bt毒素含量显著增加相关，表明非生物胁迫下Bt毒素产生不稳定。此外，一项基于 32 个棉花品种的研究表明，Bt 毒素含量下降与干旱胁迫条件下作物对棉铃虫的抗性相关。

　　盐度

　　高盐度是对农业用地的主要威胁，导致土地退化、土壤生物扰乱、生长迟缓、产量损失和全球棉花纤维的质量属性。钠和氯是导致土壤盐碱化植物病害的最重要离子。为了修复受盐影响的土壤，中国东部盐碱地或沿海地区种植了棉花作为土壤修复试点作物。在这种条件下，研究了 Bt 棉田中棉铃虫的生长和发育。结果表明，在一定含量范围的盐分条件下，棉铃虫幼虫的生长发育没有显著差异，但高盐胁迫改变了棉铃虫幼虫的生长发育和成虫在Bt棉上的产卵行为。该结果为盐渍土条件下 Bt 棉的棉铃虫害虫防治提供了一些见解。

　　气候变化

　　本世纪，大气中二氧化碳浓度不断增加和气温上升是全球气候变化的主要挑战。预计到本世纪末，二氧化碳浓度将从目前的 400ppm 增加到 750 至 1300ppm，而在同一时期，全球平均地表气温预计将上升约1.8~6.0 °C（IPCC，2014）。气候变化背景下棉花害虫的抗性机制尚未得到充分研究。CO2 升高会导致效应物触发免疫（ETI）和 PAMP 触发免疫（PTI）防御。由于气候变化，秋季被忽视，这导致昆虫繁殖率、迁徙和滞育的发生发生变化。对气候变化的遗传适应对于避免种群灭绝是必要的，但气候变化引起的遗传变化尚未得到充分记录。关于暴露于不断增加的二氧化碳和温度的后代昆虫的生理反应的研究很少。O3 对叶子营养质量的影响尚未得到充分研究，但较高的叶子衰老会降低食草昆虫的质量，而在 CO2 和 O3 升高的情况下，叶子的二次化学和小气候发生变化，使植物更容易受到食草昆虫的影响。草地贪夜蛾的入侵仅发生在那些与本地分布具有相似气候条件的地区。在应用生态学中，外来昆虫向新的陆地气候的突破是一个新出现的问题。如果它们生活史特征的进化改变相当快，我们就不能根据它们原来土地的特性对它们的入侵做出肤浅的预测。由于世代数量增加和生命周期缩短，气候变化增加了P. solenopsis 对杀虫剂的抵抗力。

　　高二氧化碳 (CO2)

　　由于二氧化碳浓度升高，植物碳氮比增加，从而影响基于碳的二次化学反应。由于这些变化，植物的营养水平降低，导致氮浓度低和酚类物质高。升高的二氧化碳可以对不同营养级别、植物、食草动物和捕食者/寄生生物产生不同的特殊影响。升高的二氧化碳 (E-CO2) 会影响幼虫的摄食行为并延长发育时间。它还会导致食草动物成年体重、存活率和繁殖力下降，并改变昆虫的抗氧化能力。E-CO2中的咀嚼类昆虫生长缓慢，消耗量和死亡率较高。在二氧化碳浓度升高的情况下，它们的繁殖力也会降低（例如棉铃虫），但蚜虫的后代数量却有所增加。与环境 CO2 相比，富集 CO2 下棉铃虫第五龄和第六龄幼虫的生长速度较慢。富含二氧化碳的雌性蛹重量也较低，但蛹期的持续时间不受影响。富集的CO2 对棉铃虫的生长和健康产生不利影响。由于二氧化碳和温度升高，蛋白酶活性和碳水化合物增加，棉铃虫的消耗和代谢率更高。由于二氧化碳浓度升高时消耗率较高，损害可能会增加。在E-CO2作用下，棉花中Bt毒素的浓度降低，但棉酚、萜类化合物、酚类和缩合单宁的浓度增加。在E-CO2下，植物对食草昆虫攻击的反应较弱。昆虫通过增加食物摄入量来补偿由于E-CO2下氮含量稀释而导致的营养缺乏，这对寄主植物造成严重损害。E-CO2 增加了棉蚜的繁殖力。蚜虫反应是对 E-CO2 特有的物种，并且是唯一对 E-CO2 做出积极反应的饲养群体。未来，增加氮肥的二氧化碳施用量以维持转基因植物的碳氮平衡是一种有吸引力的方法。

　　即将到来的温度

　　温度的显著升高导致昆虫生长加速，群体周期和生产力下降，扩大了昆虫栖息地的传播，并鼓励了一些功能反应。在显著高温下，E-CO2 对昆虫的影响可能会同时加剧或减轻。E-CO2 对蚜虫性能的积极影响被高温所抵消。在烟粉虱中，高气温和 E-CO2 显著增强了第一组中的 GST 和 AChE 表达，第三代中的 CAT 作用，以及第三代中的 SOD 表达降低。锰超氧化物歧化酶（MnSOD）、硫酸过氧化物酶（PODS）、过氧化氢酶（CAT）、乙酰胆碱酯酶（AChE）和谷胱甘肽-S-转移酶（GST）是昆虫中重要的抗氧化酶。食草昆虫的保护酶是 SOD、CAT 和 POD，而解毒酶是 GST 和 AChE。在 E-CO2 作用下，棉铃虫和棉蚜的 SOD 活性增加。与其他环境因素相比，温度波动会影响粉虱和白粉虱的侵扰。温度影响粉虱体内P450的活性，最终影响粉虱对杀虫剂的耐受性。粉虱中 CYP6CM1 的活性在 31 °C 时显著上调，而在 35 °C 时则受到抑制。棉花 jassid 种群与高温呈正相关，与低温呈负相关。草地贪夜蛾（FAW）的入侵仅发生在那些与本地分布具有相似气候条件的地区。显著的二氧化碳和温度通过增加中肠蛋白酶、糖酶（淀粉酶和纤维素酶）和线粒体酶的活性来增强食物的消耗和幼虫的新陈代谢，因此可能对作物生产造成更大的损害。昆虫的生长和发育受到二氧化碳升高和全球变暖的影响，这改变了害虫和寄主植物的相互作用。气候变化也会改变昆虫的遗传、入侵和世代数量。因此，迫切需要扩大对这些相互作用的理解，以制定减轻气候变化后果的战略。

　　疾病

　　棉花为约 150 个国家带来了可观的经济回报，种植面积达 3300 万英亩，为约 1 亿个家庭提供了收入。据估计，棉花植物有 40 多种由细菌、病毒、真菌和线虫引起的不同疾病，导致全球棉花产量损失 10-30%。柑橘黄单胞菌 pv. 锦葵属是导致陆地棉白叶枯病的主要病原体。枯萎病是由尖孢镰刀菌 f. sp.vasinfectum 和大丽轮枝菌引起的黄萎病是两种主要的真菌病害。在其整个生命周期中，棉花植株还可能遭受Colletotrichum gossypii、Colletotrichum gossypii var. cephalosporioides、Mycosphaerella areola、Sclerotium rolfsii的侵袭。和立枯丝核菌 (Rhizoctonia solani)、叶枯病 (Alternaria macrospora)、叶斑病 (Cercospora gossypina) 和Corynespora cassiicola。目前，Bt棉花占据了棉花种植市场的绝对多数份额，Bt棉花如何应对病害胁迫，代表着棉花生产的稳定性。然而，这些病害对Bt棉花的影响仍有待讨论，特别是Bt蛋白表达的稳定性。

　　杂草

　　杂草与农作物争夺可用资源，如阳光、水、养分和空间，所有这些都是为了它们的生长和发育。它们还为植物病原体和害虫提供了空间和庇护所，这可能会干扰植物的生长和发育。采用机械（如手动锄地）和化学（如除草剂）等不同的杂草控制策略作为综合杂草管理。种植 Bt 棉花可能不会显着增加杂草多样性或产生新的破坏性杂草物种的风险。喷洒除草剂和耕作措施对于传统棉田和 Bt 棉田的杂草治理都有效。在自然野生栖息地进行研究时，Bt 或非 Bt 棉花种子的发芽、定植和存活能力没有差异，这表明添加 Bt 基因不会赋予杂草适宜性或建立入侵棉花种群。

　　害虫对 Bt 毒素抗性的演变

　　尽管Bt棉花在全球范围内的广泛种植带来了害虫防治效果和经济偏好等效益，但也给棉花目标害虫带来了强大的选择压力，促进了目标害虫对Bt毒素抗性的进化（PRBT），从而降低其功效。Bt棉花应用二十多年后，棉铃虫对Bt毒素产生抗性的潜在威胁日益增加。这个问题早在二十世纪初就被认为是一个潜在的问题。各种研究都记录了由于寄主植物中毒素表达不规则而造成的这种威胁。随后进行了许多研究，以调查实验室或现场条件下各种选定昆虫对 Bt 毒素的抗性发展情况。在中国、印度、美国以及世界各个地理区域（包括南非、阿根廷和印度）的Bt棉田中观察到了PRBT进化的累积记录。巴西PRBT 在 Bt 作物中快速进化的文献鼓励研究人员尝试了解 PRBT 的遗传基础，以便开发替代的对抗机制。研究表明，Bt作物对害虫的抗性进化涉及多种机制，包括毒素激活的变化、毒素受体的突变、免疫系统的调节等，详细内容请参见Xiao和Wu的综述。在当前的综述中，我们研究了对 Bt 棉田 PRBT 发展做出重大贡献的因素。这些因素包括缺乏监管和/或遵守环境保护局 (EPA) 政策、植物组织中 Bt 基因的亚致死表达、持续暴露于相同的 Bt 毒素以及对多种 Bt 毒素的交叉耐药性。

　　种植 Bt 棉花的长期实践导致各国纳入各种复杂的综合治理系统来管理 PRBT 的演变，不遵守这些抗性管理措施将导致管理 PRBT 演变的失败。最近一项关于过去 20 年来墨西哥 Bt 棉花对环境和农艺影响的研究表明，该国用于防止棉田 PRBT 进化的管理策略是成功的，并且没有观察到对非目标生物的不利影响。在其他种植 Bt 棉花生产棉花的地区也建议采用类似的策略。植物组织中cry基因的亚致死表达是棉铃虫对Bt毒素抗性进化的主要原因之一。实际上，Bt 棉花中杀虫 Bt 毒素的表达在不同基因型中是不一致的，发生在植物的不同部位和组织中，并随着植株年龄的增长而呈现出表达量下降的模式。总结了据报道导致cry基因低表达的因素。交叉抗性也可能导致PRBT的进化。在金字塔策略中，使用产生两种 Bt 毒素 Cry1Ac 和 Cry2Ab 的转基因棉花来控制北美主要害虫Helicoverpa zea；结果表明，Cry1Ac 选择增加了表达 Cry1Ac 和 Cry1Ab 两种毒素的棉花植株上害虫的存活率。进一步分析表明 Cry1A 和 Cry2A 毒素之间存在典型的交叉耐药性。 H. zea 对某些 Bt 毒素的交叉抗性也已在其他一些金字塔事件中得到记录。

　　在大规模 Bt 作物中持续暴露于相同的 Bt 毒素将对害虫抗性产生巨大的选择压力，特别是在实验室条件下，当目标害虫持续暴露于相同的 Bt 毒素时，可以观察到 PRBT 的快速进化。实验室结果可能并不代表该领域的实际情况，但它们提供了潜在耐药问题的早期预警。对我国Bt棉种植的长期监测表明，在持续暴露压力下，田间棉铃虫群体对Cry1Ac毒素的敏感性下降；不过，没有记录到 Bt 棉花控制失败的案例。Tabashnik 及其同事的一项研究表明，在一些玉米田间种群中，抗性等位基因的频率大幅增加。尽管这一说法引起了一些争论，但PRBT进化的证据逐渐积累起来。实际上，在 B. Fusca、D.v. 昆虫物种中观察到了抗性。virgifera、H. zea、P. gossiypiella 和 S. frugiperda 分别针对 Cry1Ab、Cry3Bb、Cry1Ac、Cry1Ac 和 Cry1Fa。S. frugiperda 对 Cry1Ac、Cry2Ab 和 Cry1Fa 产生了最高水平的抗性。

　　解决 PRBT 演进问题的策略

　　害虫种群对 Bt 毒素的抗性的出现引起了科学家对研究抗性机制的极大兴趣，并提出了有效管理 Bt 棉田害虫损害以实现可持续棉花生产的策略。这些策略包括表型可塑性、针对特定昆虫控制的特定植物物种中个体cry基因抗性的研究、避难作物策略、混合含有不同毒素基因的种子、针对一个目标堆叠两个或多个杀虫毒素基因昆虫、释放不育昆虫、生物防治剂和生物信号。此外，害虫基因组的全基因组测序使研究人员能够使用包括 SSR、SNP 和 InDels 在内的分子标记来识别遗传变异和 QTL，以预测害虫与宿主作物之间的遗传相互作用。成簇规律间隔的短回文重复序列和半胱天冬酶9活性（CRISPR/Cas9）的出现，再加上上述策略，促使科学家们开发出管理PRBT进化的综合策略，以减缓PRBT出现的速度。Bt 棉花的抗性害虫。

　　表型可塑性

　　据推测，抗性的发展不仅是一种基因控制的现象，而且是基因表达的现象，揭示了环境相互作用的影响。性状的表型变异取决于其他基因的表达。单一基因型（个体基因）可能导致不同环境中的多种表型。由一个基因或多个基因控制的性状的表型受宏观和微观环境的影响很大。环境在 Bt 作物抗性表现中的作用一直被忽视。就 Bt 棉花和棉铃虫控制而言，Bt 品种可以在一种环境中表现出对棉铃虫的高抗性（意味着昆虫对植物产生的 Bt 毒素具有高敏感性），而低抗性（昆虫对植物产生的 Bt 毒素具有高敏感性）存在于另一个中，表明 Bt 棉花具有表型可塑性。对于粉红铃虫来说，它们的单食性促使它们以自己喜欢的食物为食。棉红铃虫的这种严格饮食可能会调节它们对 Cry 蛋白的敏感性和抵抗力。在实验室检查中，当玉米穗虫幼虫被喂食碳水化合物-蛋白质饮食的不同营养组合时，它们在受到 Cry1Ac 蛋白攻击时表现出存活率的变化。

　　高剂量/避难策略

　　高剂量/避难策略可能是第一个值得考虑的 PRBT 进化管理策略，已投入研究和实际应用。然而，如上所述，剂量策略的成功需要植物中表达的 Bt 毒素浓度较高，以确保具有一份抗性等位基因拷贝的杂合害虫个体的死亡率≥95%。根据美国环境保护署的说法，要确保高剂量/避难策略的成功，需要比杀死 50% Bt 敏感幼虫的浓度高 50 倍的剂量。在这一策略中，cry 基因的高表达在害虫赖以生存的所有植物组织中达到一致的致死水平对于有效控制害虫是必不可少的。这种用于管理 PRBT 进化的高剂量策略的一个重要事实是，确保对一种目标害虫有效抵抗的剂量浓度可能对另一种害虫无效。避难策略基于三个假设：Bt 毒素的隐性抗性突变、抗性突变的低频率以及种植在 Bt 作物附近的易感群体中抗性突变的有效稀释。大多数耐药突变是隐性突变，必须是纯合的才能显示表型。然后，针对特定害虫的 Bt 作物田地的避难所安排和布局对于管理 PRBT 进化的避难所策略的成功至关重要。有效的避难所可以是传统的非 Bt 棉花植物、其他大田作物，包括玉米、花生、大豆和蔬菜。在使用同一害虫物种的不同寄主作物作为避难所来管理 PRBT 进化的情况下，引入相似 Bt 基因的作物不能互相用作避难所，因为这些作物可能对有害生物具有共同的抗性选择。目标害虫。这种情况在种植玉米、Bt 玉米和棉花常见宿主的美国棉花种植带的部分地区以及草地贪夜蛾和夜蛾属的巴西塞拉多地区都可以观察到。以 Bt 玉米、棉花和大豆为宿主。避难策略提供足够的易感昆虫，有效稀释具有抗性位点的害虫，延缓抗性害虫种群的积累。在中国六个省对棉铃虫针对表达 Cry1Ac 毒素的 Bt 棉花进行的为期四年的实地研究中，结果显示抗性昆虫的百分比从 2010 年的 0.93% 增加到 2013 年的 5.5%，大大降低比模型预测的 98% 在没有自然避难所的同一时间内发生。结果表明，自然避难所策略有效地延缓了害虫抗药性的发展。研究发现，将一些非 Bt 种子混入 Bt 种子中是管理转基因 Bt 棉田 PRBT 进化的有效剂量策略方法。这种方法确保种植者通过事先混合 Bt 和非 Bt 种子来遵守避难策略。在中国进行的一项为期 11 年的研究中，转基因 Bt 种子/植物与传统非 Bt 棉花种子/植物杂交/混合，第二代 (F2) 由 3/4 产生 Bt 毒素的 Bt 植物和 1/ 种植了 4 株非 Bt 植物来进行这项研究。结果表明，种子混合策略有效延迟了红铃虫（P. gossypiella）对Cry1Ac毒素的抵抗力。

　　释放不育害虫

　　Bt 棉田中不育害虫的释放表明，P. gossypiella对 Bt 毒素具有抗性的发展显著延迟。在亚利桑那州没有避难所的情况下，不育昆虫被释放与抗性害虫交配。计算机模拟表明，该方法对具有隐性或显性遗传抗性的害虫有效。经过 4 年的时间和大规模采用这一策略，P. gossypiella对 Bt 棉花的抗性并未增加。当这种“释放不育害虫”策略被纳入多策略根除计划中时，Bt 棉田中P. gossypiella的丰度减少了 99% 以上，显示出其在延缓P. gossypiella对 Bt 毒素产生抗性方面的有效性。

　　基因堆叠和 RNAi

　　基因堆叠策略，即在转基因植物中针对同一目标害虫表达两种或多种不同的杀虫毒素，被证明在延缓抗性发展方面非常有效。2003年和2006年，两个Cry基因Cry2Ab和Cry1Fa分别与Cry1Ac基因叠加并引入棉花基因组。然后，仅产生 Cry1Ac 毒素的 Bt 棉花植物被新改造的可产生两种 Bt 毒素（Cry1Ac + Cry2Ab 或 Cry1Ac + Cry1Fa）的 Bt 植物取代，以控制H. zea。结果表明，这种基因金字塔策略可以有效改善 PRBT 进化的管理。虽然它并没有消除实施“高剂量/避难”策略的需要，但它确实减轻了后者的一些选择压力。

　　将 RNAi 策略叠加到 Bt 棉花上的尝试也被证明可以有效减缓害虫的抗性发展。在该策略中，将双链RNA构建体引入棉花基因组中，以P450单加氧酶基因cyp6AE14为目标，该基因是棉铃虫代谢中的重要基因，使棉铃虫能够消化含有棉酚的饮食。当用表达这种双链 RNA 构建体的转基因植物组织喂养幼虫时，害虫中肠细胞中这一关键 cypP6AE14 基因的转录被沉默，由于棉花植物产生的棉酚中毒，导致幼虫生长迟缓。在中国，当两个针对棉铃虫代谢基因（保幼激素酸性甲基转移酶（JHAMT）基因和保幼激素结合蛋白（JHBP）基因）的RNAi构建体分别与Bt基因堆叠时，金字塔形棉花结合了与单独使用 Bt 棉花相比，Bt 毒素和 RNAi 大大延迟了害虫的抗性进化。然而，改善可持续 Bt 棉花 RNAi 策略的挑战仍然需要应对。

　　基因组编辑

　　CRISPR/Cas9技术已被证明是一种很有前景的基因组修改方法。它极大地促进了模式和非模式物种的功能研究。该系统已被用作鞘翅目、双翅目、半翅目和鳞翅目等多种害虫的精确基因组编辑系统。CRISPR/Cas9介导的鳞翅目嗅觉受体辅助受体Orco基因敲除导致害虫纯合个体的植物气味和性信息素嗅觉检测缺陷。Wnt-1 基因因其在Dendrolimus punctatus 早期规划中的作用而闻名，对 Wnt-1 的基因组编辑导致了较高的胚胎死亡率。这些结果表明，CRISPR/Cas9 是开发新型害虫控制策略的一种简单且高效的技术。

　　生物防治剂

　　使用针对标记生物的生态友好型生物农药为害虫控制提供了一种有前途的替代方法。生物农药是动植物具有微生物活性模块（包括细菌、病毒、真菌和藻类）的结果。斜纹夜蛾是一种危害棉花的多食性生物，以叶子、花蕾、果点和棉铃为食。在北非和埃及，与滨夜蛾相关的损害非常严重。在最近的一份报告中，昆虫病原真菌Curvularia lunata、立格孢菌 (Alternaria solani) 和链格孢 (A. alternata) 的孢子悬浮液对北沙门氏菌 (S. littoralis) 表现出良好的控制效果，死亡率分别为 60%、40% 和 33.3%。在棉田中释放长嘴象鼻虫Rhynocoris longifrons（一种多种棉花害虫的多面性掠夺者），减少了H. armigera (50%), P. solenopsis (28%), D. cingulatus (18.8%), and A. gossypii (11.8%) 的数量。释放天敌Chrysoperla carnea和Trichogramma chilonis，并结合使用由不同食物引诱剂（如蛋白质水解物、糖或其组合）组成的人工喷雾剂，有很大潜力鼓励这些天敌的种群建立。随后，通过增加棉田中的捕食/寄生百分比来加强害虫控制。

　　生物信号和微生物通讯

　　Bt 毒素以外的替代策略将释放害虫针对 Bt 基因的选择压力，从而克服 PRBT 的发展问题。在生态系统中，植物与其周围环境中的生物和非生物成分动态相互作用，以引起不同物种之间的适应性和可接受的反应。这些生态关系包括寄生、共生和捕食，通过生理信号、信息素、利他素、激素、代谢物、肽、蛋白质和 RNA 在物种之间和物种内部建立复杂的通讯。植物可以感知昆虫释放的化学物质，并通过分泌反摄食来准备自己的防御策略，而草食性害虫也可能发展出消化此类次生代谢物或分泌缓解剂的机制，以避免植物对其攻击做出反应。解开不同共生生物之间这种复杂的生物关系将为开发可持续的新型昆虫控制策略提供工具。例如，属于黄单胞菌科的植物病原细菌产生一种扩散因子（DSF），作为细胞间通讯分子，在植物中引发先天免疫反应。负责产生 DSF 的酶在烟草和甜橙中成功表达，以抵抗害虫。在另一项研究中，通过人工噪声振动模仿振动信号来阻止葡萄树害虫 Scaphoideus titanus 的配偶识别和定位。这些研究表明，可以通过信号转导和细胞内级联反应操纵不同的信号（例如群体感应信号）来增强植物针对害虫的防御系统。

　　结论

　　陆地棉是全世界棉花生产的主要品种。世界各地已使用化学农药来预防严重的害虫并提高棉花产量。采用转基因 Bt 棉花带来了多种好处，包括减少棉田杀虫剂的使用量、更好地控制目标害虫、提高产量潜力和稳定性以及增加非目标昆虫的生物多样性。但它也面临一些特殊的挑战，包括不同地区因气候、生态和管理条件不同、昆虫多样性不同而药效存在差异，以及目标害虫对Bt棉已进化出抗药性等，这对Bt棉造成了重大威胁。棉花生产国的预算。为了预防或控制这一问题，建议采用以下方法：（1）新的遗传策略以及PRBT进化的综合管理，例如剂量/避难策略、在田间释放不育昆虫以及不同毒素基因的金字塔化或具有不同害虫控制机制的基因应在未来的发展中予以考虑。(2) 还强烈推荐其他控制策略，包括新的产毒基因资源或技术，如 RNAi 和 CRISPR/Cas9，以克服这种昆虫抗性问题。(3) 为了成功提高全球棉花产量，有必要协调棉花生产行业所有参与者，包括研究人员、农民和技术人员的努力。总之，棉花已经变得容易受到许多害虫的影响，它依赖于新颖的生物技术解决方案来防止这些害虫造成的损失。生物技术解决方案为全球棉花生产市场提供了一个生态友好的系统。随着棉花基因组测序和基因组编辑技术的发展，将为棉花病虫害防治策略带来新的机遇，从根本上改变现有做法，减少损失，造福环境。总之，这一任务在全球范围内还没有完全完成。

　　原文链接：

　　https://doi.org/10.3390/plants12234071

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